무선전력전송 시스템 칩과 능동 정류기 단독 칩.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 몸 속에 삽입된 의료기기의 배터리의 무선 충전 효율을 크게 높일 수 있는 신기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

향후 심박동기나 신경자극기 같은 기기의 배터리 수명을 늘려, 환자들이 겪는 주기적인 교체 수술 부담을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST(울산과학기술원) 전기전자공학과 변영재 교수팀은 체내 삽입 기기 내부의 전력 사용량에 맞춰 전기 에너지 전달 경로를 변경하는 무선 전력 전송 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

최근 고령화, 사고 및 질병 등으로 신체 및 장기 기능에 발생한 장애를 극복하기 위해 인체 삽입형 의료기기에 대한 수요가 증가하고 있으나, 의료기기 동작에 필수인 배터리 충전기술의 한계로 인해 기기의 활용 분야와 효용성이 제한적이다. 특히 기존 충전 기술은 이 조건을 하나로 고정해 기기 작동 상황에 따라 전력 손실이 발생할 수 있다. 전력 손실은 발열 문제로도 이어져 주변 조직을 손상하거나 이물 반응을 유발할 수 있다.

연구팀이 개발한 무선충전 기술은 고부하와 저부하 상황을 구분하고, 각각의 상황에 맞는 ‘전용 정합 회로(Matching Network)’를 적용해 전력 전달 효율을 높였다. 정합 회로는 송신코일에서 넘어온 전력이 수신코일을 거쳐 기기 안으로 잘 들어오도록 조건을 맞춰주는 일종의 관문 회로다. 부하가 달라질 때마다 내부 전자 스위치가 고부하와 저부하에 맞는 정합 회로를 각각 연결해, 수신코일에서 들어온 전력이 기기 안으로 더 잘 넘어가도록 한 것이다.

또 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 정류 회로의 효율도 함께 높였다. 몸 밖에서 넘어온 전력은 수신코일에 교류 형태로 전달되는데, 실제 의료기기 회로가 이를 쓰려면 직류 전력으로 바꿔야 한다. 연구팀은 이 과정에서 스위치가 켜지고 꺼지는 시점을 조절하는 기술을 적용해 변환 과정의 손실을 줄였다.

변영재(왼쪽) UNIST 교수와 신성민 연구원.[UNIST 제공]

실험에서 송신코일에서 수신코일까지 전력이 넘어오는 비율인 링크 효율은 저부하 조건인 3mA에서 94.4%, 고부하 조건인 30mA에서 92.7%를 기록했다. 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 능동 정류기의 전력 변환 효율도 최고 94.5%였으며, 입력 전압이 2.5~5.0V로 달라져도 92.3% 이상의 효율을 유지했다.

과학기술정보통신부 정보통신기획평가원 지원으로 수행된 이번 연구결과는 반도체 회로·시스템 분야 국제학술지 ‘IEEE 트랜잭션스 온 베리 라지 스케일 인터그레이션 시스템’에 게재됐다.

변영재 교수는 “이 기술은 체내 삽입형 의료기기뿐 아니라 웨어러블 전자기기, 초소형 IoT 기기처럼 작은 공간 안에서 여러 회로에 전력을 나눠 공급해야 하는 저전력 전자기기에도 적용될 수 있다”고 말했다.